把零电压开关技术应用在降压稳压器上-

1、WHITE PAPERThe PI33xx: 把零电压开关技术应用在降压稳压器上2012年7月Picor PI33XX Cool-Power®ZVS降压稳压器系列产品,提供最大的功率密度和高效负载点DC-DC稳压。这款独特的高密度降压稳压器,在一个表面安装封装内集成了高性能零电压开关(ZVS拓扑以及功率和辅助组件。本文简要介绍PI33xx降压稳压器系列产品中零电压开关(ZVS拓扑的性能和价值。降压稳压器的关键要求通常是尺寸和效率。由于印制电路板面积弥足珍贵,哪个设计人员也不愿意分配额外的空间给功率设计方案。此外,由于单片机和数字信号处理器(DSP不断推陈出新, 电路板设计方案也不断升

2、级,尽管功率有所增加,但产品尺寸却不能增大了。因此,高密度稳压器便顺着最新IC集成技术、MOSFET及封装工艺的改良而不断发展。纵使这样, 这些稳压器还是无法满足新系统的应用要求. 尤其是系统内部的功率密度正日益提高。其主要原因是开关损耗阻碍稳压器MOSFET的内部性能。如果不从根本上解决这些损耗问题,那么只能期望些微的性能提升。导致稳压器MOSFET开关损耗的主要原因是:高电平端MOSFET导通、米勒(Miller栅极电荷以及体二极管传导损耗。高电平端MOSFET导通时,正好是稳压器MOSFET进行最高电压和电流开关的时候,由此带来的最大功率损耗。随着转换或稳压的输入电压的增高,这些损耗将进

3、一步放大。输入电压越高,主MOSFET的电压也就越高,导通损耗也就越大。这些开关损耗将阻碍整个功率系统解的发展, 无法取得突破性的进展。例如,在工业流程控制系统中,要想将24V稳压至3.3V,需要通过两级降压稳压器:首先,将24V电压转换到12V;然后,再将12V电压转换到3.3V。相反,有些稳压器只需要一次转换,如PI33xx,可以直接将24V电压转换到3.3V,不仅提高效率,而且大幅降低成本,缩小空间,并提高可靠性。开关损耗还限制了稳压器的开关频率。开关频率越高,MOSFET开关时间就越长,损耗就越大。如果开关不能在高频率切换,将限制更小型无源组件(电阻、电容和电感的使用,从而使稳压器密度

4、受到影响。PI33xx采用零电压开关(ZVS拓扑允许在更高频率和更高输入电压进行操作,而且不会牺牲效率。同传统稳压器采用的硬开关拓扑相比,零电压开关(ZVS拓扑是一种软开关拓扑。同传统稳压器相比,PI33xx的软开关技术具有更高的效率以及更高的密度性能。零电压开关(ZVS拓扑通常是成就高性能隔离电源的因素。在PI33xx内部集成零电压开关(ZVS拓扑,实乃业界首创。图1: Picor PI3301 Cool-Power ZVS降压稳压器与竞争产品的效率性能对比图2: PI33xx降压拓扑与传统产品的对比效率(%效率(%效率(%12 Vin转换为3.3 VoutPicor PI33O1与竞争产品

5、对比24 Vin转换为3.3 VoutPicor PI33O1与竞争产品对比36 Vin转换为3.3 VoutPicor PI33O1与竞争产品对比竞争产品竞争产品竞争产品图1给出PI3301(PI33xx系列产品的3.3V版本与业界常用高密度稳压器对比的效率性能。PI3301采用零电压开关(ZVS或软开关拓扑,而竞争产品则采用硬开关拓扑,图1中给出输入电压分别是12V、24V和36V时的效率性能。从图1中的对比可以看出,硬开关稳压器在较高输入电压时效率退化。这个效率退化是硬开关拓扑中开关损耗带来的直接结果。PI33xx系列产品工作频率在1.5MHz以上,是传统高密度稳压器的23倍。在更高的频

6、率工作不仅降低无源组件的尺寸,而且降低外部滤波组件的尺寸,并允许对输入瞬态和负载瞬态做出快速动态响应。PI33xx内的零电压开关(ZVS开关拓扑参见图2,我们对传统降压拓扑与采用零电压开关(ZVS拓扑的PI33xx进行直接对比。首先,常用的方法是在完整开关周期起始处(图2中黄色竖条表示,高端MOSFET得到指令而导通。在导通之前,有电流流经输出电感器和同步MOSFET。为了避免两个MOSFET的交叉传导,在关闭同步MOSFET和开启高端MOSFET之间存在一个微妙的平衡。谐振零电压开关(ZVS动作实际上消除了开关损耗,消除了米勒电荷效应因Q2体二极管在Trr(反向恢复时间 期间像个短路, 故带

7、来的极高电流导通硬开关切换与体二极管反向恢复过程给QI带来极高的导通损耗。在寄生电感中存储的能量引起VS振铃,进一步增加损耗。提高输入电压和/或频率将增大开关损耗。高端导通Vds=(Vin-VS零电流导通Q1损耗取决于RDSon,直至关闭这个设计折中的结果往往是体二极管传导。体二极管传导要求:在体二极管传导某些峰值电流时,积聚的存储电荷首先进行放电,然后才能支持任何反向截止电压。因此,当极高电流流经体二极管和流经高端MOSFET时,MOSFET的漏极-源极电压实际上是嵌位于输入电压(主要取决于寄生电感,直到耗尽区形成,而体二极管开始支持反向电压。耗尽区形成前,在高电平端MOSFET中消耗的瞬态

8、功率是相当高的。其中,一部分损耗是由于反向恢复电流引起的,其他损耗则是由于MOSFET输出电容放电引起的。此外,在低端的MOSFET同步体二极管,也存在着反向恢复损耗。这些损耗将随着开关频率或输入电压的增加而增加。在图2中,传统降压稳压器的Q1功率曲线给出导通效应。导通时的峰值瞬态功率,将成为高开关频率应用中高端MOSFET损耗的主要来源。有些措施可以补救对与体二极管传导有关的开关损耗,办法包括:从更快的开关到自适应栅极驱动器,乃至通过各种改进型质量因子(FOM器件对MOSFET进行改进。PI33xx开关周期开始时,流经输出电感的电流几乎是零。由于零电压开关(ZVS动作, Q1的电压也几乎是零

9、。电感电流从零上升至峰值, 然后Q1关闭。电感电流在小于10ns期间交换给Q2体二极管,之后Q2导通。在电感中存储的电荷转移至负载。Q2关闭被延迟,直到来自输出电容器的电流将电感电流驱动为负,因此,在电感中存储了能量。接着,嵌位开关闭合导通,允许存储的能量循环,直到Q1再次需要开启并将VS嵌位至Vout。为了推动零电压开关(ZVS,嵌位开关开路。然后,存储的能量与Q1和Q2的输出电容发生谐振。谐振电流从源极到漏极流进Q1,并从漏极到源极流进Q2。这个谐振动作对Q1输出电容进行放电,并对Q2输出电容进行充电。然后,Q1以无损耗的方式切换。PI33xx之所以能够解决传统稳压器的高导通损耗问题,是因为在高端MOSFET导通之前,避免高电流体二极管传导;使高端MOSFET的漏极-源极电压为零或接近零,而且不产生高电流尖脉冲或有破坏性的振铃。针对Q1的零电压开关(ZVS动作,在Q1导通时可以消除米勒效应,允许在导通时使用更小的驱动器或更低的栅极驱动